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第一篇内容：绪论，研究的意义和内容
第二篇内容：系统总体方案设计
第三篇内容：系统硬件设计 各个硬件模块之间的合理安排与有效配合是构建系统硬件平台的基础。本章将详细介绍系统的硬件组成，其中包括：微处理器（MCU）、电源模块、传感器检测模块、数据传输模块、显示模块、控制模块以及报警模块，系统的整个硬件框图如图3.1所示。
3.1 微处理器
本系统选择STM32F407ZGT6芯片的单片机，使用正点原子生产的“探索者”开发板实现本系统功能。该开发板资源丰富，本设计中主要用到的开发板资源有：主控芯片、晶振、LCD显示屏、ATK-Module模块、JTAG仿真下载接口、W25Q128FLASH、8位RAM、引出的IO口以及电源，开发板实物图如图3.2所示。
3.2 电源模块
稳定可靠的供电电源才能保障微处理器上相关的硬件设备正常工作。由于本系统中元器件的正常工作电压为：3.3V和5V，且存在需要大电流运转的电机，因此电源电路需要将模拟电路和数字电路进行有效隔离，并由降压芯片逐级降低电压。 电源电路如图3.3所示，首先由7805三端稳压集成电路将电压从12V降为5V，之后再由AMS1117-3.3芯片将电压降为3.3V，以此满足众多元器件对电源的需求。为了保障电源的稳定，还需要在电源正负极之间设置多个电容，以此抑制电压的波动，在数字和模拟电源之间增加电感元件以隔绝电机带来的影响。
图3.3电源模块电路图
3.3 传感器检测模块 传感器检测模块由光照强度检测模块、温湿度检测模块、氨气检测模块、人体感应检测模块、火焰检测模块以及雨滴检测模块六部分组成。
3.3.1 光照强度检测模块
为了高精度监测猪舍环境中光照强度，本模块选用了GY-302传感器[43]，实物图如图3.4所示。该传感器集成了BH1750FVI芯片，自带16位AD转换器。与单片机之间采用IIC总线协议，无需使用ADC采集，能够直接获得当前光照强度的数字结果。其测量范围为0-65535Lux，分辨率接近于人眼睛对光强的敏感度，具有精度高、分辨率高的优点。
图3.4GY-302传感器实物图
GY-302传感器有5个引脚，包括VCC、GND、SCL、SDA以及ADDR，其中VCC接电源正极3.3V，GND接地。SCL为时钟线连接单片机的PB8端口，SDA为数据线连接单片机的PB9端口，ADDR为寄存器的地址引脚。
3.3.2 温湿度检测模块 STM32虽然内置了温度传感器，但是因为芯片温度等原因，会造成与外部环境实际温度差别较大。所以在本模块中，采用DHT11来监测猪舍环境的温湿度情况，实物如图3.5所示。它能同时采集到外部环境的温度以及湿度数据，温度测量范围为：0℃-50℃，湿度测量范围为：20%RH-95%RH[44]。它与单片机配合使用，单片机读取数据后，发送至显示模块进行显示，获取的温度、湿度值还可以作为控制模块动作的判定依据。 图3.5DHT11实物图
DHT11传感器有四个引脚，分别是：VCC、GND、DATA以及NC。其中，NC并无实际功能，将其与电源地连接，保证其电位为零；DATA用于微处理器与DHT11传感器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间在4ms左右[45]，连接单片机的PG9端口。
3.3.3 氨气检测模块
针对猪舍环境中的氨气浓度监测，本模块选用MQ137传感器，实物如图3.6所示。它是一款电化学金属氧化物传感器模组，对氨气的灵敏度高，可以检测多种含氨气体[46]。其气敏元件是二氧化锡，在不同污染气体浓度中对应的电导率不同，再将电导率变化转化为输出信号，检测范围为：0-500ppm，是一款应用广泛、低成本的传感器。 图3.6MQ137传感器实物图
本设计采用AO模式输出，连接单片机的PA5端口，输出的ADC数值通过公式转换为具体的氨气浓度数值并发送至显示屏上进行显示。但是该模块输出的模拟电压为0-5V，所以需要用2个10K的精密电阻进行串联分压，取其中一个电阻上的电压作为采样值。
3.3.4 人体感应模块 人体感应模块由人体红外感应传感器组成，它可以通过测量检测区域内的物体发出的红外光，从而监测区域内是否有人经过。本模块使用的是HC-SR501人体感应模块，具体外观如图3.7所示，它非常易于使用，可以实现全自动感应。人进入其感应范围则输出高电平；人离开感应范围则延时一段时间(8-200秒，时间可调节)后输出低电平，延时时间默认为8秒[46]。如果人一直在检测范围内，则一直输出高电平，离开检测范围时作为延时时间的起点。 图3.7人体感应传感器实物图
人体感应传感器有3个引脚，VCC、GND以及OUT数字输出引脚。其中VCC接3.3V，GND接地，OUT引脚接单片机PF3端口。该传感器安装于猪舍入口的大门上方，当工作人员靠近时，可以自动响应。
3.3.5 火焰检测模块 本模块采用远红外火焰传感器，实物如图3.8所示。它是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主的高温固体微粒构成，可以检测火焰或者波长在760nm-1100nm范围内的光源，探测角度为60°[48]。其中，在红外光波长为880纳米左右时，灵敏度最大。 图3.8火焰传感器实物图
该传感器使用了宽电压LM393比较器与可调电阻，输出形式为数字开关量输出。有火焰时，输出TTL高电平1；无火焰时，输出TTL低电平0。使用单片机的输入引脚PF0判断电平高低，从而判断环境中是否出现明火。设置火焰检测模块的目的是为了保护本系统的安全，若是有电气设备出现明火情况，可以及时报警。
3.3.6 雨滴检测模块
雨滴传感器可以检测是否下雨及雨量大小，它简单、使用方便、体积小、重量轻、性价比高，能够将雨量信号转化为数字信号和模拟信号进行输出。该传感器采用高品质的FR-04双面材料，配置了5cm*4cm的检测面板，并采用镀镍工艺，有对抗氧化、防止腐蚀的能力[49]，具体外观如图3.9a所示，电路控制如图3.9b所示。
本设计中采用该传感器的DO模式输出，连接单片机的PF7端口。将感应板放置在猪舍的窗户上，当感应板上检测到雨滴时，输出低电平；当感应板未检测到雨滴时，输出高电平。
3.4 控制模块 本系统中控制模块包含照明灯、保温灯、换气扇、喷水泵以及电动卷帘，采用弱电控制强电的方案。其中，照明灯实现辅助照明功能；保温灯实现猪舍升温功能；换气扇实现降低温度、湿度以及将环境内有害气体排出的功能；喷水泵实现对猪舍的强效降温功能，其电路连接如图3.10所示。
图3.10继电器设备控制电路连接图
单片机部分采用5V或3.3V的电源电路，能够输出低压控制信号；控制电路采用220V民用交流电，用于相应控制电路的动作；采用继电器开关作为弱电与强电之间的桥梁。如图3.11所示的继电器设备，右侧有三个引脚，其中IN为开关信号输入端，接单片机控制引脚，VCC接单片机输出的5V或3.3V电源，GND接地。
图3.11继电器实物图 电动卷帘是一种利用舵机实现对卷帘开闭状态的装置，当接收到开、关窗电信号之后，舵机启动，力矩经过齿轮传动，作用到卷轴上，从而实现升、降卷帘效果，示意图如图3.12所示。本系统采用舵机驱动卷帘，舵机逆时针转动则打开卷帘，舵机顺时针转动则关闭卷帘。该舵机工作电压为12V，脉冲信号线连接单片机的PF9端口，通过接收到单片机发出的PWM（脉冲调制信号）信号，执行猪舍卷帘的升降。
图3.12电动卷帘示意图
3.5 数据传输模块 在第2篇有论述过本系统采用WIFI方式来实现系统终端与云平台之间的数据传输。本系统数据传输模块选用乐鑫esp8266WIFI模块，实物图如图3.13所示。该模块是一款超低功耗的UART-WIFI（串口-无线）透传模块，内部含有TCP/IP协议栈，可以完成串口与WIFI之间的转换，将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，从而实现联网功能[50-52]。它性能高且功能强大，广泛应用于各大领域中。
图3.13ESP8266WIFI模块实物图
ESP8266WIFI模块的引脚说明如表3.1所示。
3.6 显示模块 本系统考虑到饲养员在巡查时会关注猪舍内的环境参数，因此在猪舍内增设信息显示设备。本设计选用高清液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay，LCD）作为显示器件，实物图如图3.14所示。该显示屏具有分辨率高、显示色彩多、刷新速度快、显示稳定的特点。
LCD是由ALIENTEK公司开发的器件，与单片机配套使用，共有34个引脚，其数据输入输出接口为D0-D15，与开发板上预留的屏幕端口相连接，电路原理图如图3.15所示。
图3.15LCD电路原理图
3.7 报警模块 本系统在硬件部分设计有报警功能，报警声音由蜂鸣器来完成。本系统采用高电平触发的有源蜂鸣器，实物图如图3.16所示。蜂鸣器的I/O端口连接在单片机的PF8上，输出高电平时，蜂鸣器发声；输出低电平时，蜂鸣器停止发声。由于蜂鸣器的驱动电流较大，不能通过单片机的IO口进行直接驱动，需要用三极管对电流进行扩流。当单片机的IO口输出高电平时，三极管CE极导通，控制蜂鸣器的电流放大，给蜂鸣器正常供电；当单片机的IO口输出低电平时，三极管CE极截止，流经蜂鸣器的驱动电流过小，蜂鸣器不会鸣叫。 图3.16蜂鸣器实物图
本篇详细阐述了系统中各硬件设备的功能以及选型，包括系统硬件整体架构、STM32微处理器（MCU）、电源模块、传感器检测模块、控制模块、数据传输模块、显示模块以及报警模块。利用所述模块可以完成本系统的硬件搭建，进一步为后续的系统软件设计奠定硬件基础。
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发表于 2022-7-20 11:35
